城市生活垃圾_污泥和煤粉混合燃料热值的研究

第 2卷 　第 9期 环 境 工 程 学 报 Vol. 2 , No. 9 2 0 0 8 年 9 月 Chinese Journal of Environmental Engineering Sep 1 2 0 0 8 城市生活垃圾、污泥和 煤粉混合燃料热值的研究 杨　丽 1 　文科军 13 　姚晓霞 1 　吴丽萍 1 　杨　洋 2 (1.天津城市建设学院环境与市政 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 系 ,天津 300384; 2. 天津市排水管理处第十排水管理所 ,天津 300384) 摘 　要 　为了寻求生活垃圾和污泥的高效资源化、能源化方法。选取生活垃圾、污泥和煤粉的混合 ,枯枝落叶 ,助燃剂 MnO2 ,脱硫剂 CaO为控制因子 ,安排正交试验 ,成型加工为混合燃料。测定其热值 ,并通过正交分析 ,筛选出燃料最大热值 组合 ,即混合时垃圾、污泥、煤粉的比例为 1∶1∶2,枯枝落叶所占比例为 0% ,助燃剂 MnO2 含量为 0. 18% ,脱硫剂 CaO含量 为 1. 5 / (100 g) ,该燃料的热值为 1718898 kJ /g。为该混合燃料的推广与应用提供理论依据。 关键词 　混合燃料 　热值 　正交试验 　生活垃圾 　污泥 中图分类号 　X705　　文献标识码 　A　　文章编号 　167329108 (2008) 0921239204 Study on ca lor ic va lue of m ix ing fuel of organ ic tra sh , sludge and powdered coa l Yang L i1 　W en Kejun1 　Yao Xiaoxia1 　W u L ip ing1 　Yang Yang2 (11Department of Environmental and Municipal Engineering , Tianjing Institute of U rban Construction, Tianjing 300384; 2. The Tenth Management of D rainage, Tianjin Department ofManagement of D rainage, Tianjin 300384) Abstract　 In order to search of methods of high and energy utilization of refuse and sludge, the m ixture of re2 fuse, sludge and coal, the deadwood and defoliation, the combustion2supporting additiveMnO2 , the desulfurization agents CaO were chosen as the main influencing factors, orthogonal test was arranged, and a new model fuel was p rocessed. The caloric value of the fuel was measured, then the largest caloric value combination of experimental fuel was gained by the orthogonal analysis, namely, the refuse, sludge, powdered coal p roportion is 1∶1∶2 in the adm ixture, the p roportion of the deadwood and defoliation is 0% , the content of the combustion2supporting additive MnO2 and the desulfurization agents CaO is 0. 18% , 1. 5 / (100 g) , respectively. The caloric value of this fuel is 17. 8898 kJ /g. This can p rovide theoretical basis for the p romotion and app lication of the new fuel. Key words　m ixing fuel; caloric value; orthogonal test; refuse; sludge 收稿日期 : 2008 - 03 - 24; 修订日期 : 2008 - 05 - 11 作者简介 :杨 丽 (1980～) ,男 ,硕士研究生 ,主要从事固体废弃物处 理与资源化研究工作。E2mail: yangch_1234@ sina. com3 通讯联系人 , E2mail: wenkejun@126. com　　随着我国城市化进程的不断加快和城市人口的高度聚集 ,城市固体废弃物的产量与日剧增 ,不可再生资源越来越少 ,若不能合理地解决这些问题 ,将会引发了一系列的环境污染和能源短缺等问题。目前 ,全国每年产生的生活垃圾已达 1. 4亿 t,并以 7% ～9% [ 1 ]年递增速度增加 ;随着污水处理率的提高 ,城市污泥量也会大幅度的增加。据统计 ,2001年 ,污水处理厂污泥年产量为 1亿 t以上。如何将产量巨大、成分复杂的城市生活垃圾和污泥进行妥善安全的处理 ,使其无害化、资源化 ,已成为环境界深为关注的重大课题。使生活垃圾和污泥实现无害化、资源化 ,其最有效的方式就是焚烧处理 ,但是由于我国生活垃圾和 污泥的含水率高、热值低等特点 ,难以实现直接焚烧处理。本实验利用高热值煤与低热值固体废弃物混合成型 ,实现热值互补 ,改善低热值燃料的可燃性 ,为其燃烧利用提供有利的条件。一种备受青睐的固体燃料 ,就应该具备热值高的特点。将预处理的有机垃圾、煤粉和污泥进行混合 ,并掺入一定的添加剂 ,安排正交试验 ,加工制成有机垃圾混合燃料 ,其中污泥主要起粘结作用。测定燃料的热值 ,通过正交分析 ,筛选出燃烧热值高的 环 境 工 程 学 报 第 2卷 燃料组合以及最佳配比。为城市生活垃圾、污泥和 煤粉混合燃料的生产做些基础性研究 ,同时为高热 值燃料生产提供工艺参数。 1　实验部分 1. 1　实验因素及水平的确定 为了增强燃料的可燃性 ,在该实验中 ,掺入少量 枯枝落叶、MnO2 ,用以改善燃料的燃烧特性及提高 燃烧热值 ;加入一定量的 CaO用以控制燃烧过程中 产生的 SO2 和 HCl等污染性气体 [ 2 ]。 试验以煤粉、污泥及生活垃圾的混合、枯枝落 叶、助燃剂 (MnO2 )和脱硫剂 (CaO )为控制因子 ,选 取 L16 (45 )正交 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 安排试验。测定成型样品的燃烧 热值 ,通过统计分析确定各因素的影响大小 ,并筛选 出最佳配比及最大热值的组合。试验各因子及水平 的确定如表 1所示。 表 1　L16 ( 45 )正交试验因素及水平表 Table 1　Factor and level of L16 ( 45 ) orthogona l test A (混合 ) B (枯枝落叶 ) C (助燃剂 MnO2 ) D (脱硫剂 CaO) 1 1 /3 0% 0. 16% 0. 60 / (100 g) 2 1 /2∶1 /4∶1 /4 5% 0. 17% 0. 90 / (100 g) 3 1 /4∶1 /2∶1 /4 10% 0. 18% 1. 2 / (100 g) 4 1 /4∶1 /4∶1 /2 15% 0. 19% 1. 50 / (100 g) 注 :表中 A (混合 )因素表示 :垃圾、污泥和煤粉的比例 1. 2　实验原料的准备及成型 实验中所用原料来自校园区生活垃圾、枯枝落 叶、污水处理厂脱水污泥和煤粉 ,并添加一定量的助 燃剂和脱硫剂。本实验选取 MnO2 为助燃剂 , CaO 为污染控制剂。通过对收集的生活垃圾进行成分分 析 ,其各组分所占比例为 :厨余 15% ,植物 219% ,布 匹 118% ,纸类 916% ,塑料 1012% ,玻璃 415% ,金 属 016% ,灰分 1611% ,水分 4813% ,数据是对每次 收集的样品进行取样测定其组分 ,并为多次平均所 得。生活垃圾、污泥及煤粉的含水率和热值如表 2 所示。 表 2　原料的水分含量及干热值 Table 2　Tota l m o isture and dry ca lor ic va lue in raw ma ter ia l 生活垃圾 煤 粉 污 泥 水分 ( % ) 48. 7 6. 87 79. 82 热值 (干燥 ) ( kJ /g) 17. 3952 19. 64 15. 227 将收集的校园区生活垃圾经过人工去除玻璃和 金属等不可燃成分后 ,进行粉碎处理。枯枝落叶也 进行粉碎预处理 ,再按照 L16 (45 )正交表配料 (采用 机械搅拌对原料进行混合 ) ,并成型 ,加工制成燃料 成品。 1. 3　实验成品热值的测定 前述成型的样品在自然风干的条件下 ,干燥 20 d,其含水率约为 18. 34% (多次测定取平均值 ) , 然后对 16组成品进行热值的测定。从每组成品中 随机选取实验样品 ,重复 3次 ,其数据如表 3所示。 燃烧热值利用氧弹式热量计 (XRY21A数显氧弹式 热量计 )进行测定。 2　实验数据的分析 2. 1　实验结果的极差分析 极差分析法 (R法 ) [ 3 ]直观形象、简单易懂。根 据正交表的综合可比性 ,极差分析法通过非常简单 的计算和判断就可以求得实验的优化成果 2主次因 素、最优化水平及最优组合 ,能比较圆满地达到一般 实验分析的要求。 计算如下 : yij为第 j因素 i水平所对应的实验指 标和 , €yij为 yij的平均值。由 €yij的大小可以判定 j因 素的最优水平组合即最优组合。R j 为第 j因素极 差 ,反映了第 j因素水平变动是实验指标的变动幅 度。R j越大表明该因素对实验指标的影响越大 ,因 此 ,也就越重要。计算式为 : R j = max( €y1 j , €y2 j⋯) - m in ( €y1 j , €y2 j⋯) (1) 　　正交表的极差分析结果已列于表 3,由 R j 值的 大小可知 :燃料产品的 B因素 (枯枝落叶 )对燃烧热 值的影响最大 ,其次为 A因素 (混合比例 ) ,再次为 D因素 (脱硫剂 CaO) , C因素 (助燃剂 MnO2 )最小。 即各影响因素重要性依次为 B >A >D > C。由各因 素对应的 €yij值大小可知 : 燃烧热值最大的一组 A4 B1 C3 D4 ,即混合时垃圾、污泥和煤粉的比例为 1∶1 ∶2,枯枝落叶所占比例为 0% ,助燃剂 MnO2 含量为 0. 18% ,脱硫剂 CaO含量为 1. 5 / ( 100 g)。可作为 最佳工艺参数或生产条件。 2. 2　实验结果的方差分析 对于正交实验表 La ( bc ) ,单用极差分析法不能 估计实验误差 ,无法区分某因素各水平所对应的实 验指标平均值间的差异或究竟有多少是由因素水平 不同引起的 ,有多少是由实验误差引起的。即极差 法无法确定实验优化成果的可信度 ,也不能应用于 回归分析与回归设计。而方差分析则在偏差平方和 0421 第 9期 杨 　丽等 :城市生活垃圾、污泥和煤粉混合燃料热值的研究 分解的基础上借助于 F检验法 ,对影响总偏差平方 和的各因素效应及其交互效应进行分析 ,判断各因 素对实验指标影响的显著性 [ 4 ]。 由表 3中公式可知结果 ,并列于方差分析表 (表 4)中 ;上述公式中 : r = 4 (水平数 ) ; n = 16 (实验 次数 ) ; p = 4 (安排因素个数 )。 表 3　实验结果的正交表计算 Table 3　O rthogona l ca lcula tion of exper im en ta l results A (混合 ) B (枯枝 落叶 ) C (助燃剂 MnO2 ) D (脱硫 剂 CaO) E (空列项 ) 第 1平行 ( kJ /g) 第 2平行 ( kJ /g) 第 3平行 ( kJ /g) 合计 y i 1 1 1 1 1 1 17. 426 17. 158 17. 436 52. 02 2 1 2 2 2 2 17. 151 17. 375 17. 723 52. 249 3 1 3 3 3 3 17. 097 17. 052 17. 005 51. 154 4 1 4 4 4 4 16. 44 16. 144 16. 982 49. 566 5 2 1 2 3 4 17. 32 17. 039 17. 278 51. 637 6 2 2 1 4 3 17. 423 17. 002 17. 513 51. 938 7 2 3 4 1 2 17. 208 16. 969 16. 948 51. 125 8 2 4 3 2 1 16. 994 17. 1859 16. 606 50. 7859 9 3 1 3 4 2 17. 289 17. 047 17. 197 51. 533 10 3 2 4 3 1 16. 661 16. 708 17. 04 50. 409 11 3 3 1 2 4 16. 488 16. 147 16. 289 48. 924 12 3 4 2 1 3 15. 107 15. 747 15. 045 45. 899 13 4 1 4 2 3 17. 602 17. 367 17. 739 52. 708 14 4 2 3 1 4 16. 804 16. 691 17. 7311 51. 2261 15 4 3 2 4 1 17. 306 17. 829 17. 662 52. 797 16 4 4 1 3 2 16. 795 16. 87 16. 311 49. 976 y1 j 204. 989 207. 898 202. 858 200. 2701 206. 0119 y2 j 205. 4859 205. 8221 202. 582 204. 6669 204. 883 y3 j 196. 765 204 204. 699 203. 176 201. 699 y4 j 206. 7071 196. 2269 203. 808 205. 834 201. 3531€y1 j 17. 0824 17. 3248 16. 9048 16. 6892 17. 1677€y2 j 17. 123825 17. 1518 16. 8818 17. 0556 17. 074€y3 j 16. 3970833 17. 000 17. 0583 16. 9313 16. 808€y4 j 17. 2255916 16. 35224167 16. 984 17. 1528 16. 779 R j 0. 82850833 0. 97259166 0. 17641666 0. 4637 0. 0941 Q j 13 807. 4363 13 808. 7756 13 802. 5180 13 803. 7313 13 803. 6253 S2j 5. 1505 6. 4902 0. 2322 1. 4455 1. 3395 总偏差平方和 S2T 及相应的自由度 f总 , S2T = ∑ n i =1 y2i - 1 n ( ∑ n i =1 y i ) 2 ,记 S2T = Q T - P,其中 Q T = ∑ n i =1 y2i , P = 1 n K2 , K = ∑ n i =1 y i。f总 = 3n - 1; 偏差平方 S j 及自由度 f j: S2j = ∑ r l =1 m ( €y lj - €y) = Q j - P, j = 1, 2, ⋯, p,其中 Q j = 1 m ∑ r l =1 €y2lj, j = 1, 2, ⋯, p, f j = r - 1 误差的方差估计 : S2e = S2 - ∑ p j =1 S2j , fe = f总 - ∑ e j =1 f j;检验量 F值 : F j = K S j / f j S e / fe ～ Fa ( f j, fe ) 注 : y ij表示正交表的第 j列 (包括空列 ) 中水平 i对应的 m 个实验结和 ; €y ij = y ij /3 m (m = 4) ; K为所有实验数据之和 表 4　燃烧热值方差分析表 Table 4　Ca lcula tion of var iance on exper im en ta l results of ca lor ic va lue 方差来源 偏差平方和 自由度 方差估计值 F值 临界值 显著性 A (混合 ) 5. 150494414 3 1. 716831471 15. 57976981 F0. 01 (3, 35) = 4. 3957 3 3 3 B (枯枝落叶 ) 6. 490152814 3 2. 163384271 19. 63211271 F0. 05 (3, 35) = 2. 8742 3 3 3 C (助燃剂 MnO2 ) 0. 232220896 3 0. 077406965 0. 702446758 F0. 1 (3, 35) = 2. 24746 D (脱硫剂 CaO) 1. 445478281 3 0. 481826094 4. 372438268 3 3 e (误差 ) 3. 856867094 35 0. 110196203 总和 17. 1752135 47 　　由表 4可知 ,垃圾、污泥和煤粉的混合比例和枯 枝落叶对燃烧热值影响极显著 ,该实验指标的显著 性检验可信度达 99. 9%。D因素 (脱硫剂 CaO )的 影响显著 , C因素 (助燃剂 MnO2 )的影响极不显著。 1421 环 境 工 程 学 报 第 2卷 从 F值大小次序来看 B因素 (枯枝落叶 )影响最大 , 其次是 A因素 (混合比例 ) ,再次是 D因素 (脱硫剂 CaO ) , C因素 (助燃剂 MnO2 )最小。 通过表 3和表 4的计算结果 ,从实验得出的最 优组合和影响因素的次序角度分析 : (1)因素 B即枯枝落叶的含量对燃烧热值的影 响极显著。由表 3可知 ,最佳水平为枯枝落叶含量 为 0% ,可能因为枯枝落叶的燃烧热值低于垃圾、污 泥和煤粉的混合 ,随着枯枝落叶含量的增加 ,而混合 成分的含量相应减少 ,所以燃料的燃烧热值呈下降 趋势。 (2)因素 A即垃圾、污泥和煤粉的混合对燃烧 热值的影响也极显著。这也是燃料的主要组成成 分 ,欲得到热值较大的燃料 ,要充分考虑垃圾、污泥 和煤粉的混合比例。煤粉含量越高其热值越大 ,因 此 ,选择该因素的最佳水平为 :垃圾、污泥和煤粉的 比例为 1∶1∶2。 (3)因素 D即脱硫剂对热值的影响高度显著 , 其重要地位不可忽略。CaO属于不可燃成分 ,当掺 入量过多会降低燃烧热值 ;但若加入太少 ,会削弱对 污染性气体的吸收能力。由表 3可知 ,燃烧热值随 着 CaO量的增加而升高。因为燃料成型干燥过程 中 , CaO与 H2 O发生消化后 ,生成 Ca (OH ) 2 ,再与 CO2 作用生成 CaCO3 , CaCO3 在原料颗粒间构成网 络骨架 [ 5 ] ,增大了空隙率 ,具有较强的反应活性 ,从 而提高了燃烧热值。这也说明实验中所选取 CaO 的量比较适中。 (4)因素 C即助燃剂对热值的影响不显著 ,其 影响可以忽略。或许是水平间隔取值太密 ,而造成 显著性低。虽然助燃剂 MnO2 对提高燃烧热值的贡 献率低 ,但其能增强燃料的点火性能 ,易于着火。 由于筛选出的最佳组合不在所列的实验组合 中 ,根据正交表对选出的最大热值进行预估 ,其值为 μ(A4 B1 C3 D4 ) =总平均 +主要因子在该水平条件下 出现水平的效应 = K /48 + AⅣ + BⅠ + CⅢ + DⅣ = 16195723 + 0. 2683625 + 0. 367604167 + 0. 101020833 + 01195604167 = 17. 8898 kJ /g。 3　结 　论 实验表明 ,配制有机垃圾混合燃料 ,垃圾、污泥 和煤粉的混合、枯枝落叶和脱硫剂三因素对焚烧热 值都有一定的影响。尤其是垃圾、污泥和煤粉的混 合 ,枯枝落叶两因素的影响极显著 ,可信度达到 9919%以上。实验结果说明 ,混合燃料的制备原料 : 枯枝落叶的含量 ,垃圾、污泥和煤粉的混合是燃烧热 值的主要决定因素 ;加入脱硫剂的多少也会影响燃 烧热值 ;助燃剂 MnO2 对燃烧热值的影响可以忽略。 通过分析 ,筛选出的最大热值组合为 : A4 B1 C3 D4 ,即 混合时垃圾、污泥、煤粉的比例为 1∶1∶2,枯枝落叶 所占比例为 0% ,助燃剂 MnO2 含量为 0. 18% ,脱硫 剂 CaO含量为 1. 5 / (100 g) ,成型燃料的热值完全 可达到直接燃烧的要求。 将有机废物混合成型混合燃料 ,研究其燃烧热 值。结果表明 :在有机废弃物 (生活垃圾和污泥 )中 按一定比例加入煤粉 ,提高了燃料的燃烧热值 ,完全 能够达到生活垃圾和污泥能源化利用的热值要求 , 同时加入脱硫剂 ,对燃料燃烧过程中排放的污染气 体进行控制。有机混合燃料产品的实现 ,不仅达到 了生活垃圾、污泥资源化利用 ,同时也为如此量大的 生活垃圾和污泥提供了理想的去处 ,有关加入脱硫 剂 CaO对污染气体控制量的测定将在后续实验中 逐步完成。 参 考 文 献 [ 1 ] 赵由才 ,牛冬杰 ,柴晓利 ,等. 固体废物处理与资源化. 北 京 :化学工业出版社 , 2006. 1～4 [ 2 ] 李水娥 ,金会心 ,吴复忠 . 生物质型煤的制备及燃烧性 能研究. 贵州工业大学学报 (自然科学版 ) , 2004, 33 (6) : 5～8 [ 3 ] 邓勃. 分析测试数据的统计处理方法. 北京 :清华大学出 版 , 1995 [ 4 ] 郑少华 ,姜奉华. 试验设计与数据处理. 北京 :中国建材 工业出版社 , 2004 [ 5 ] 徐振刚 ,刘随芹. 型煤技术. 北京 :煤炭工业出版社 , 2001 2421